多自由度并聯(lián)平臺(tái)在科普展項(xiàng)中的應(yīng)用

引言

科普展品是展示科學(xué)、普及科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)品,大型互動(dòng)模擬展項(xiàng)采用多自由度并聯(lián)平臺(tái)作為載體來(lái)獲得最佳展示效果。本文將結(jié)合筆者在科技館工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對(duì)科普展項(xiàng)中多自由度并聯(lián)平臺(tái)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1多自由度并聯(lián)平臺(tái)

多自由度并聯(lián)平臺(tái)由多支伸縮桿和兩個(gè)平臺(tái)組成,下平臺(tái)需固定在基礎(chǔ)上,伸縮桿外殼套筒固定于下平臺(tái),上端利用萬(wàn)向較鏈與上平臺(tái)連接,借助液壓缸或電動(dòng)缸為動(dòng)作元件驅(qū)動(dòng)伸縮桿進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng),完成上平臺(tái)在空間中多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

多自由度并聯(lián)平臺(tái)并沒有明確的命名規(guī)范,一般以自由度的數(shù)量＋執(zhí)行器種類進(jìn)行命名,例如圖1平臺(tái)具備六個(gè)自由度,執(zhí)行器為伺服電動(dòng)缸,則命名為"六自由度伺服電動(dòng)缸平臺(tái)"。

圖1 六自由度伺服電動(dòng)缸平臺(tái)

2六自由度并聯(lián)平臺(tái)位置姿態(tài)及求解

六自由度并聯(lián)平臺(tái)的六個(gè)伸縮桿在控制下能夠自由伸縮,所以要使六自由度平臺(tái)能按照需求運(yùn)動(dòng),必須要求六個(gè)伸縮桿協(xié)調(diào)動(dòng)作。

六自由度并聯(lián)平臺(tái)上平臺(tái)的位置姿態(tài)與各個(gè)伸縮桿的伸縮量為非線性關(guān)系,其正解計(jì)算過(guò)程復(fù)雜,而六自由度并聯(lián)平臺(tái)位置反解相對(duì)簡(jiǎn)單,一般都是給出平臺(tái)的六個(gè)空間姿態(tài)參數(shù)(Ⅹ,Y,Z,a,8,y),通過(guò)計(jì)算求出六條伸縮桿的長(zhǎng)度(L1~L6),即已知輸出求輸入。

如圖2所示,設(shè)A1~A6為上平臺(tái)與伸縮桿的較接點(diǎn),設(shè)B1~B6為下平臺(tái)與伸縮桿的較接點(diǎn)。

則上下平臺(tái)的變換公式為:

其中[T]為旋轉(zhuǎn)矩陣,先繞:軸旋轉(zhuǎn)y,其變換關(guān)系如下:

寫成矩陣的形式為:

同理,旋轉(zhuǎn)8、a得到矩陣[B]、[A],則旋轉(zhuǎn)矩陣[T]=[C]×[B]×[A]。將得到的矩陣[T]代入變換公式可求出伸縮桿的長(zhǎng)度,其表達(dá)形式為:

根據(jù)以上計(jì)算可知,利用計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)求出L10L6伸縮桿的長(zhǎng)度,由計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)給伸縮桿控制器使其動(dòng)作,從而達(dá)到精確控制六自由度并聯(lián)平臺(tái)姿態(tài)的目的。

3六自由度伺服液壓系統(tǒng)平臺(tái)在科普展品中的應(yīng)用

如圖~所示,寧夏科技館的全景式飛行模擬器展品利用六自由度伺服液壓平臺(tái)根據(jù)觀眾的操作情況實(shí)時(shí)模擬飛機(jī)的姿態(tài)(左右傾斜、上下、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作),模擬真實(shí)的飛行環(huán)境。結(jié)合投影機(jī)內(nèi)投射和多種聲光電技術(shù),從視覺和位置感覺上給參與者強(qiáng)有力的沖擊,營(yíng)造了幾可亂真的仿真環(huán)境。

圖3 全景式飛行模擬器

其六自由度伺服液壓平臺(tái)正常運(yùn)行已經(jīng)超過(guò)11年,僅發(fā)生過(guò)液壓油微泄漏、密封墊損壞等小故障。

液壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲普遍在75dB以上,寧夏科技館在離飛機(jī)3m左右的距離設(shè)置了單獨(dú)的設(shè)備間放置液壓缸與油泵等設(shè)備,利用設(shè)備間來(lái)隔絕液壓泵工作時(shí)的噪聲。

4三自由度伺服電動(dòng)缸平臺(tái)在展品中的應(yīng)用

"血管漫游"展項(xiàng)2017年開始投入使用,其通過(guò)三自由度電動(dòng)平臺(tái)與VR設(shè)備實(shí)時(shí)模擬虛擬場(chǎng)景中的變化,營(yíng)造在血液中游動(dòng)的感覺。

展項(xiàng)由七部分組成:VR設(shè)備、控制主機(jī)、三自由度伺服電動(dòng)缸平臺(tái)座椅、頭戴式耳機(jī)、一體式頭盔、游戲體驗(yàn)館搭建器材、液晶電視等。

圖4中座椅上掛黑線為VR眼鏡數(shù)據(jù)線,其長(zhǎng)度有限。要求必須把電腦主機(jī)放置在盡量近的地方。選用三自由度伺服電動(dòng)缸作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái),其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,因而具備足夠的空間放置電腦主機(jī)。同時(shí),此展品為模擬血管中漫游的展品,采用三自由度即可滿足其運(yùn)動(dòng)需求。

圖4 寧夏科技館展品"血管漫游"

5結(jié)語(yǔ)

多自由度并聯(lián)平臺(tái)的應(yīng)用能很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的意圖,尤其是在模擬仿真類展品中能給觀眾帶來(lái)良好的互動(dòng)體驗(yàn),保證了此類展品對(duì)游客的持久吸引力,同時(shí)方便的維護(hù)性、優(yōu)良的技術(shù)性能,都使得多自由度平臺(tái)在大型模擬類科普展項(xiàng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。